Diffusjons vektet imaging og «diffusion tensor imaging»
Av Thierry Huisman, Professor i radiologi og barneradiologi, Johns Hopkins, Baltimore USA Oversatt av René van Helvoirt, Spesialist i onkologi, Sørlandet sykehus, Kristiansand
Thierry Huisman.
René van Helvoirt.
Introduksjon
Diffusjons vektet imaging (DWI) er en avansert funksjonell MR teknikk som har brakt en revolusjon innen billeddiagnostikk. Selv om teknikken allerede ble beskrevet i midten av 60-tallet, var det ikke før 20 år senere at software og hardware utviklingen hadde kommet til det nivået som var nødvendig for å kunne implementere det i rutine kliniske MR maskiner. Både i bekkenradiologi (prostata) og i nevroradiologi har det blitt en meget viktig modalitet. Ved prostatakreftundersøkelse er DWI av stor hjelp for å kunne identifisere de sannsynlig mest maligne områdene (viktig ved evt målrettede biopsier). Ved hjerneundersøkelse gir det for eksempel muligheter for å skille mellom vasogent og cytotoksisk ødem, abscess og nekrotisk tumor, og tumorresidiv og stråleindusert vevsskade. DWI får en stadig større plass i kreftdiagnostikken og etter hvert også i både planlegging og oppfølgning av strålebehandlingen. Formålet med dette innlegget er å gi en basal innføring i teknikken slik at man som onkolog er bedre rustet til å diskutere og tolke MR bilder.
For å bedre kunne forstå det som står nedenfor, anbefales det å lese MR scanning del 1 som sto på trykk i Onkonytt nr 1, 2014 (også tilgjengelig via NOF’s internettside www.onkologi.no).
Diffusjons vektet imaging (DWI)
DWI MR gir kontrast i bildene basert på forskjeller i hvor mye vannmolekylene diffunderer i det fremstilte vevet. Diffusjonen representerer den vilkårlige termiske bevegelsen av molekyler, den såkalte brownske bevegelsen. Graden av diffusjon bestemmes av forskjellige faktorer, blant annet molekyltype, temperatur og mikromiljøets arkitektur. For eksempel er molekyldiffusjonen i cerebrospinal væske (CSF) større enn den intracellulære eller interstitielle diffusjonen. Ved å bruke MR sekvenser som er sensitive for diffusjon kan man fremstille forskjeller i diffusjon gjennom forskjeller i farge på bildene, det vil si at man får kontraster (figur 1). Det genereres kvantitative data som viser de forskjellige gradene av diffusjon i det undersøkte vevet i 3 dimensjoner.
Figur 1: Grafisk framstilling av bevegelsen av vannmolekylene i hhv grå substans (gray matter, GM) og cerebrospinal væske (cerebrospinal fluid, CSF). Den effektive avstanden som vannmolekylene avlegger er mindre i GM enn i CSF (røde piler). Grafikken viser avlagt distanse som funksjon av tid. Jo større avstand vannmolekylene avlegger, jo større vil tap av MR signalet bli. Det høye signaltapet i CSF gjør at den er hypointens sammenlignet med GM hvor signaltapet er lavere.
Informasjonen om diffusjon blir stort sett hentet ut gjennom å legge til 2 ekstra gradienter (’diffusjons gradienter’) til en T2 weighted echo image sekvens. Jo større bevegelsesmulighet vannmolekylene har, jo raskere vil MR signalet avta. Dermed vil tap av signalet etter diffusjons gradient pulsen skje mye raskere i fritt flytende væske (f.eks. i CSF) enn i kompakt celletett vev (f.eks. i hjernecortex eller i en cellerik tumor). Signalet som leses ut vil da være T2 signalet (tap av den transversale magnetiseringen, se MR scanning del 1), redusert med signaltapet forårsaket av diffusjonen og er avhengig av styrken av diffusjonsgradienten. Hvert lille volumelement (voksel) i det undersøkte vevet får et tall som kvantifiserer signalintensiteten etter diffusjonsgradienten og i likhet med konvensjonelle T1 og T2 weighted images, blir det framstilt i et 2 dimensjonalt bilde som kalles for DWI map (figur 2a). Som det står ovenfor brukes det 2 diffusjonsgradienter og de er forskjellige. Ved å analysere endringen i signalintensiteten fra den ene til den andre, får man informasjon om graden av diffusjon (diffusion rate), målt i areal per tidsenhet (mm2 per sekund). Denne graden av diffusjon er benevnt som Apparent Diffusion Coefficient, ADC. ADC verdiene av hver voxel blir fremstilt i et 2 dimensjonalt bilde som kalles for ADC map (figur 2b). Ved høy diffusjon er ADC verdien høy og det vises som hyperintens (hvit) på ADC map (f.eks. CSF). Er diffusjonen begrenset er ADC verdien lav og det vises som hypointens (mørk) på ADC map (f.eks. hvit substans og cortex hvor cellemembranene begrenser diffusjonen ). Fordelen med ADC map er at den er fri for T2 signal som kan skjule lesjoner på en DWI map. ADC er dermed en ren kvantitativ måling av vannmolkylenes bevegelser og egner seg også godt for sammenligning av sekvensielle undersøkelser. For eksempel påfølgende undersøkelser hos en prostatacancer pasient i «active surveillance»: i tilfelle av en dedifferensiering (d.v.s. høyere Gleason score) får tumoren som oftest en høyere celletetthet og det gir lavere ADC.
Figur 2:
Eksempel av en (a) DWI map og en (b) ADC map av hjernen. I DWI er hjernens cortex litt mer intens enn hvit substans på grunn av det underliggende T2 signal. CSF er hypointens på DWI (større signaltap). ADC er fri for T2 signal og det gjør at intensiteten i cortex og hvit substans er lik. Siden diffusjonen er begrenset både i cortex og i hvit substans, er de hypointense sammenlignet med CSF som har høy diffusjon.
Diffusjon er en 3 dimensjonal prosess som har retning, størrelse og form. Størrelsen og den 3-dimensjonale formen vil variere avhengig av vevsarkitekturen og fysiologiske prosesser. Dette kan illustreres godt hvis man ser på situasjonen i hjernen. Diffusjonen i hvit substans foregår for eksempel hovedsakelig i retningen parallelt med den lange aksen av nervebanene og er begrenset i retningene loddrett på banene. Diffusjonsretningen i hvit substans kan grafisk fremstilles som en ellipsoide eller sigar og kalles for anisotropisk diffusjon (figur 3a). Dette i motsetning til isotropisk diffusjon hvor diffusjonen er lik i alle retninger, for eksempel i CSF. Isotropisk diffusjon kan fremstilles som en sfære (figur 3b). Gjennom å anvende diffusjonsgradienter langs forskjellige retningsakser, kan MR gi informasjon om diffusjonsretningen.
Figur 3a: Ved anisotropisk diffusjon foregår diffusjonen i hovedsak langs en lengdeakse. Dette kan grafisk fremstilles som en ellipsoide / sigar.
Figur 3b: Ved isotropisk diffusjon foregår diffusjonen lik i alle retninger. Dette kan grafisk fremstilles som en sfære.
Figur 4:
Grafisk fremstilling av diffusjonsmønstrene observert i de forskjellige vevstypene, varierende fra fullstendig isotropisk diffusjon (sfære, FA = 0) til maksimal anisotropisk diffusjon (ekstrem smal ellipsoide, FA 1).
Figur 5:
Eksempel av en (a) FA map og en (b) fargekodet FA map av hjernen. FA map viser en høy grad av anisotropisk diffusjon i hvit substans i capsula interna og corpus callosum. CSF og cortex som har hovedsakelig isotropisk diffusjon, er mørke. Fargekodet FA map viser hovedretningene av diffusjonen. Den er for eksempel venstre-høyre i corpus callosum (rød), anteriør-posteriør i frontal hvit substans (grønn) og cranio-caudal i capsula interna (blå).
Diffusion tensor imaging (DTI)
Den 3-dimensjonale formen av diffusjonen kalles for diffusion tensor, og diffusion tensor imaging (DTI) analyserer denne formen. Diffusion tensoren gir verdifull informasjon om vevets mikrostruktur. For å kunne lage DTI er det nødvendig med 7 forskjellige gradient målinger (6 forskjellige retningsakser). Ved å slå sammen informasjonen fra disse målingene og DWI og ADC mappene, kan det konstrueres en såkalt fractional anisotropy (FA) map. FA er definiert som forholdet mellom den anisotropiske komponenten av diffusion tensoren og hele diffusion tensoren (d.v.s. summen av anisotropisk og isotropisk diffusjon). FA varierer fra 0 til 1, hvor 0 representerer fullstendig isotropisk diffusjon (en perfekt sfære) og 1 representerer maksimal anisotropisk diffusjon som om det foregår i en lang sylinder med minimalt tverrmål (figur 4). FA verdiene kalkuleres for hver voksel og områder med høye verdier (hovedsakelig anisotropisk diffusjon, f.eks. i corpus callosum og i capsula interna) er lys og områder med lave verdier (hovedsakelig isotropisk diffusjon, f.eks. i CSF og i cortex) er mørk (figur 5a). Sammenlign figur 2 med figur 5a og legg merke til at det er kontrast mellom CSF og cortex på DWI og ADC bilder på grunn av at det er høy diffusjon i CSF og lav diffusjon i cortex, mens det ikke er kontrast mellom CSF og cortex på FA bilder, siden diffusjonen er hovedsakelig isotropisk begge steder.
Analysen av diffusion tensoren gir i tillegg informasjon om i hvilken retning diffusjonen hovedsakelig foregår (figur 6). Denne retningsinformasjonen kan legges til i bildene gjennom å fargekode FA mappen. Rød farge indikerer venstre-høyre rettet-, grønn farge indikerer anteriør-posteriør rettet- og blå farge indikerer cranio-caudal rettet anisotropisk diffusjon (figur 5b). En slik fargelegging gjør undersøkelse av hvit substans lettere og man kan på denne måten rekonstruere forløpet av nervebanene. Teknikken bærer på antagelsen at voksels som har en lik retningsmessig orientering av sin hovedsakelig anisotropiske diffusjonen er en del av den samme nervebanen. Visualisering av nervebanene in vivo kalles for traktografi (figur 7). Ved å bruke enda flere gradienter (d.v.s. flere enn de 6 forskjellige retningsaksene nevnt ovenfor) kan man få informasjon om komplekse krysninger innenfor hver voksel (multitensor imaging; minimum 3 Tesla feltstyrke er nødvendig).
Figur 6:
Diffusion tensor imaging (DTI) gjør det mulig å kalkulere både formen av diffusjonen (for eksempel ellipsoid) og retningen som den har i det 3-dimensjonelle rommet. Det vil si at tensoren blir representert av 3 vektorer som både har retning og størrelse. På denne måte kan man for eksempel få informasjon om orienteringen av de forskjellige hvite substans banene i hjernen.
Figur 7:
Forløpet av de forskjellige nervebanene i hvit substans kan bli rekonstruert på basis av DTI dataene. Denne traktografien viser de descenderende corticospinale banene (blå) og de anteriøre -posteriøre banene (grønn).
DWI/DTI i praksis
Det foregår mye forskning innen DWI / DTI og nyvinningene blir stadig implementert i den daglige rutinen. Teknikken har revolusjonert innsikten i den fysiologiske hjerneutviklingen og cerebrale utviklingsdefekter. Den har ellers vist seg til å være av stor hjelp ved identifisering av cerebral iskemi. DWI / DTI kan for eksempel allerede påvise vevsskade innen 30 minutter etter at det har oppstått en vaskulær okklusjon, mens konvensjonelle T1 og T2 sekvenser fremdeles er upåfallende. Ved å kombinere DWI / DTI data med perfusjonsbildene (perfusjon-vektet imaging, PWI, en teknikk som framstiller den hemodynamiske vevssituasjonen) kan man identifisere potensielle infarktområder, og ved å være tidlig ut, kan man muligens intervenere før skaden har blitt varig. I onkologisk diagnostikk har DWI / DTI fått sin plass ved å kunne avgjøre om en vevsoppfylning sannsynligvis er en abscess (figur 8) eller en cystisk tumor (figur 9). Etter gjennomgått strålebehandling er det ikke sjeldent at man ved nyoppståtte vevsforandringer har både tumorresidiv og stråleinduserte vevsskader som differensialdiagnoser. I slike tilfeller kan DWI / DTI gi viktig supplerende informasjon (figur 10). Traktografi vil vise om en tumor infiltrerer og destruerer nervebaner (figur 11).
Figur 8:
Eksempel av en pasient med en hjerne abscess. T2 og kontrast T1 bildene viser en cystisk lesjon med kontrast oppladning i randsonen og omkringliggende ødem. Lesjonens innhold er hyperintens på DWI og hypointens på ADC, noe som betyr at diffusjonen er begrenset og at det er forenlig med en abscess. Ødemet omkring er ADC hyperintens og det er forenlig med en vasogen årsak. Diffusjonen i denne vasogene ødemsonen er hovedsakelig isotropisk og det gir hypointensitet på FA.
Figur 9:
Eksempel av en pasient med et cerebellært pilocytic astrocytom. T2 og kontrast T1 bildene viser en dels solid og dels cystisk lesjon med noe kontrast oppladning. Innholdet av den cystiske delen er hypointens på DWI og hyperintens på ADC, noe som betyr at diffusjonen er høy og at man kan utelukke abscess.
Diffusjonen er isotropisk og det gir hypointensitet på FA. Fargekodet FA viser at de grønne hvit substans banene i den cerebellære pedunkelen er komprimerte.
Figur 10:
Eksempel av en pasient som har gjennomgått strålebehandling for et ependymom. T2 bildet viser Axial T2-weighted image shows hyperintense signal within the midbrain (with sparing of the red nuclei and substantia nigra) and posterior limbs of the bilateral internal capsule. On the ADC maps the ADC values are increased (increased diffusion), which is typical for this kind of injury (and different from tumor recurrence, which usually shows restricted diffusion on ADC maps if the tumor is a high-grade one).
Figur 11:
Traktografi av en pasient med et diffust voksende hjernestammegliom. Anteriør fremstilling i A, anterolateral fremstilling i B og fusjonert med koronal T2 i C. Bildene viser skader som følge av tumor infiltrasjon i transverse pontine baner, corticospinale baner og lemniscus (piler).
Figurkilder:
Figur 1-10: Professor Thierry Huisman og dr Andrea Poretti, dept of Pediatric Radiology and Pediatric Neuroradiology, Johns Hopkins Hospital, Baltimore, USA.
Figur 11: Neuroimaging of Pediatric Posterior Fossa Tumors Including Review of the Literature, Andrea Poretti, MD,1,2 Avner Meoded, MD,1 and Thierry A.G.M. Huisman, MD1*, J Magn Reson Imaging. 2012 Jan;35(1):32-47